DE2152025A1

DE2152025A1 - Druckgradientenmikrofon

Info

Publication number: DE2152025A1
Application number: DE19712152025
Authority: DE
Inventors: Stuart Bradley; Cragg William Donald
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1970-10-22
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1972-04-27
Also published as: AU3470771A; GB1278009A; FR2111759A1; IL38042A0; FR2111759B1; US3856995A

Description

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Dr uck gr ad i entenmik ro fön

Die Priorität der Anmeldung Nr. 50 130/70 vom 22. Okt. 1970 in Großbritannien wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft Mikrofone, insbesondere Druckgradientenmikrofone. Sie besteht darin, daß ein scheibenförmiges piezoelektrisches Wandlerelement innerhalb eines Hohlzylinders· derart befestigt ist, daß die Hauptflächen des Wandlerelements senkrecht zur Längsachse des Zylinders verlaufen.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Schnitt die Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckgradientenmikrofons,

Fig. 2 zeigt im Schnitt die Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckgradientenmikrofons ,

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Fig. 3 zeigt im Schnitt die Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckgradientenmikrofons und

Fig. 4

bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen des scheibenförmigen piezoelektrischen Wandlerelements des er-; findungsgemäßen Druckgradientenmikrofons.

Bei allen drei Ausführungsbeispielen ist das scheibenförmige piezoelektrische Wandlerelement 1 zentral innerhalb des Hohlzylinders 2 derart befestigt, daß die Hauptoberflächen des Wandlerelements senkrecht zu der Längsachse 3 des Hohlzylinders verlaufen.

In den Fig. 1 und 2 hat der Hohlzylinder 2 eine Länge zwischen dem Ein— und Vierfachen seines Durchmessers, beispielsweise also eine Länge von 10 mm, und das Wandlerelement 1 hat einen Durchmesser von etwa 6,5 mm und eine Dicke von etwa 0,13 mm.

Die beiden in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele sind von gleichen Abmessungen und gleicher Leistungsfähigkeit. Beide Hauptflächen des Wandlerelements 1 sind im Sprachfrequenzbereich der Umgebungsluft frei ausgesetzt. Das Wandlerelement 1 ist zentral innerhalb des Hohlzylinders 2 mittels eines seine Kanten umgebenden dünnen Füllmaterials 4 (Fig.l) aus Weichgummi oder gummiähnlichem Material befestigt, das das Wandlerelement 1 mit der benachbarten Innenfläche des Hohlzylinders 2 verbindet, ohne jedoch eine merkliche Kantenklemmung auf das Wandlerelement 1 auszuüben.

Alternativ hierzu ist das Wandlerelernent 1 nach Fig. 2 auf der dicht gewobenen Gaze 5 des ungefähren englischen Maschen-?

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maßes 100, beispielsweise auf Nylongaze aufgebracht, die sich quer durch den Innenraum des Hohlzylinders 2 erstreckt und an ihrem Umfang mit dem Hohlzylinder verbunden ist. Mit dieser Gaze-Befestigung weist das akustische Leck zwischen dem Rand des Wandlerelements 1 und der Innenfläche des Hohlzylinders 2 kleine akustische Impedanzen auf. Anstatt einer Gaze kann auch eine dünne gummiähnliche Feststoffmembran verwendet werden.

Das Wandlerelement 1 ist gegenüber mechanischen Vibrationen zwar sehr empfindlich, jedoch ergeben die beiden alternativen, oben beschriebenen Befestigungsanordnungen eine gute Dämpfung der mechanischen Vibration zwischen dem Hohlzylinder und dem Wandlerelement.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Hohlzylinder 2 von der gleichen Länge wie in den beiden vorigen Ausführungsbeispielen, jedoch von größerem Durchmesser, beispielsweise von 25 mm Länge für ein Wandlerelement von etwa 6,5 mm Durchmesser. Die zentral eingebaute schallempfindliche Membran β, deren Umfang an der Innenfläche des Hohlzylinders 2 befestigt ist, ist mit dem Wandlerelement 1 dadurch verbunden, daß es an deren zentralem Teil mittels des einen Endes des Übertragungsglieds 7 befestigt ist, dessen anderes Ende mit einer Hauptfläche des Wandlerelementes verbunden ist.

Die Empfindlichkeit des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels wird für Sprache noch erhöht, wenn eine Kantengewichtsbelastung 18 hinzugefügt wird. Das Wandlerelement hat aufgrund seiner kleinen Abmessungen eine Resonanzfrequenz, die " oberhalb der Sprachfrequenzen liegt, so daß diese Resonanzfrequenz bis hin zum oberen Ende des Sprachfrequenzbandes durch Zufügung einer geeigneten Gewichtsbelastung erniedrigt werden kann.

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Bei jedem der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis 3 führen Verbindungsleitungen 8 vom Wandlerelement zu den Klemmen 9, die sich durch die Seitenwand des Hohlzylinders für externe Anschlüsse erstrecken.

Das Wandlerelement 1 kann drei verschiedene Ausführungsformen aufweisen, die in Fig. 4 bis 6 dargestellt sind. Nach Fig. 4 weist die dünne Scheibe 10 aus piezoelektrischem Keramikmaterial (einer Mischung von Bleititanat und Zirkontitanat) die Elektroden 11 und 12 auf, die durch Aufdampfen auf die beiden Hauptoberflächen hergestellt werden. Als Material für die Elektroden Il und 12 dient Gold, Nickelchrom oder Silber, und es steht in innigem Kontakt mit den Scheibenoberflächen. Nach dem Aufbringen der Elektroden wird die Scheibe dadurch polarisiert, daß sie über die Elektroden einer Spannung in der Größenordnung von 25 kV pro cm Scheibendicke unterworfen wird, so daß eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden erscheint, wenn die Scheibe radial gestreckt wird.

Die Elektroden 1.1 und 12 bedecken die ganze entsprechende Scheibenoberfläche fast bis zu deren Rand. Nach dem Anbringen von Zuleitungsdrähten 8a und 8b wird die Scheibe mechanisch mittels eines Epoxidharzes, Fläche gegen Fläche mit der dünnen flexiblen Metallscheibe 13 verbunden, die beispielsweise aus Aluminium, Messing oder Niekel-Eisen, beispielsweise Permalloy D besteht, wobei die Dicke (0,056 mm) der Metallscheibe 13 etwa gleich ist der Dicke der piezoelektrischen Scheibe 10 und auch deren akustische Steifheit gleich ist der akustischen Steifheit der Scheibe 10. Die Scheibe 10 ist so dünn, wie sie üblicherweise noch hergestellt werden kann, also etwa 0,05 bis 0,056 mm. Die zusammengesetzte Scheibe 10, 13 mit den Elektroden 11 und

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und den Zuleitungsdrähten 8a und 8b bildet das piezoelektrische scheibenförmige Wandlerelement des erfindungsgemäßen Mikrofons.

Anstatt einer mit der polarisierten und kontaktierten piezoelektrischen Scheibe 10 verbundenen Metallscheibe kann auch eine zweite kontaktierte und polarisierte piezoelektrische Scheibe mit der Scheibe 10 verbunden werden, wobei dann beide Scheiben die gleiche Dicke und akustische Steifheit aufweisen. Ein solches Element ist in Fig. 5 gezeigt. Die zweite Scheibe 14 aus piezoelektrischem Keramikmaterial (einer Mischung aus Bleititanat und Zirkontitanat) weist die durch Aufdampfen auf die Hauptoberflächen aufgebrachten Elektroden 15 und 16 auf. Das Elektrodenmaterial ist typischerweise Gold, Nickel-Chrom oder Silber und steht in innigem Kontakt mit den Seitenoberflächen. Nach Aufbringung der Elektroden 15 und 16 wird die Scheibe 14 dadurch polarisiert, daß sie über die Elektroden 15 und 16 einer Spannung in der Größenordnung von 25 kV pro cm Scheibendicke unterworfen wird. Die polarisierte Scheibe 14 wird dann so Fläche gegen Fläche an der Scheibe 10 befestigt, daß die benachbarten Elektroden, nämlich eine pro Scheibe, leitend miteinander verbunden sind.

Die Scheibe 14 kann so mit der Scheibe 10 verbunden werden, daß die entsprechenden Polaritäten entgegengesetzt sind (Fig.5), in welchem Falle zwei Zuleitungsdrähte 8a und 8b für je eine äußere Klemme vorhanden sind. Alternativ hierzu kann die Scheibe 14 auch so mit der Scheibe 10 verbunden werden, daß die entsprechenden Polaritäten gleichsinnig sind (Fig. 6), in welchem Fall drei Verbindungsleitungen, nämlich 8a (von der Elektrode 11), 8b (von den gemeinsamen Elektroden 12 und 16) und 8c (von der Elektrode 15) vorhanden sind, wobei die Verbindungsleitungen 8a und 8c für die äußeren Klemmen mit-

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einander verbunden sind.

Jedes der eben beschriebenen Wandlerelemente kann in jedes der in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Mikrofone eingesetzt werden, wobei das Wandlerelement an jeder der beiden Hauptflächen mit der entsprechenden Trägergaze oder -membran befestigt werden kann.

Das Mikrofon nach den Fig. 1 bis 3 ist nahe dem Mund zu verwenden, wo normale Luftstöße der Sprache eine Wirbelströmung um das Zylindergehäuse herum hervorrufen können. Das Rauschen dieser Wirbel kann weitgehend dadurch reduziert werden, daß ein feiner Gazeüberzug 17 an jedem-Ende des Zylinders 2 vorgesehen wird. Dies hat nämlich einen zweifachen Effekt, nämlich erstens, daß der Gazeüberzug den in eine Richtung gehenden und die Membran oder das Wandlerelement direkt beaufschlagenden Luftstrom reduziert und zweitens, daß er die scharfen,, die Wirbel hervorrufenden Kanten vermeidet.

Das Wandlerelement nach den Fig. 1 und 2 und die Membran nach der Fig. 3 werden durch die Druckdifferenz zwischen ihren beiden Oberflächen, angetrieben. Schallwellen, die aus einer größeren Entfernung als etwa 30 cm eintreffen, rufen nur eine kleine Druckdifferenz über der Scheibe oder der Membran bei Frequenzen hervor, bei denen die Wellenlänge groß gegen den Abstand zwischen Vorder- und Rückseite ist, d.h. für alle Frequenzen oberhalb etwa 5 kHz. Bei Gebrauch nahe den Lippen befindet sich das Mikrofon jedoch in dem Bereich sphärischer Wellenausbreitung vom Munde aus, und der bekannte im Englischen als Base-Boost-Effekt bezeichnete Effekt wird wirksam, wodurch der Druckgradient unterhalb 5 kHz mit fallender Frequenz ansteigt.

Bei diesen Ausführungsbeispielen sollte die Scheibe nach Fig.l oder 2 oder die Membran-Scheibenanordnung nach Fig. 3 ihren

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ersten Resonanzmodus im oberen Sprachband, also zwischen 3,5 und 6 kHz haben, um eine weiche Wiedergabe über das ganze Sprachband zu erhalten. Um auch eine gute Rauschunterdrückung oberhalb 6 kHz zu erreichen, sollte der Abstand zwischen Vorder- und Rückseite klein sein, und zwar nicht viel größer als ein Zehntel der Wellenlänge bei 4 kHz. Diese Erfordernisse werden von den oben angegebenen Abmessungen der Ausführungsbeispiele bereits erfüllt.

18 Patentansprüche

1 Blatt Zeichnungen mit 6 Figuren .

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Druckgradientenmikrofon, .dadurch gekennzeichnet, daß ein scheibenförmiges piezoelektrisches Wandlerelement innerhalb eines Hohlzylinders derart befestigt ist, daß die Hauptflächen des Wandlerelements senkrecht zur Längsachse des Hohlzylinders verlaufen.
2. Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten des Wandlerelements mittels eines endlosen Rings, der keine wesentliche Kantenklemmung verursacht, an der Innenfläche des Hohlzylinders befestigt sind.
3. Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der endlose Ring aus Gummi oder gummiähnlichem Material besteht.
4. Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement mit seiner einen Oberfläche in der Mitte einer mit öffnungen versehenen Membran befestigt ist, die ihrerseits mit dem Umfang an der Innenfläche

. des Hohlzylinders befestigtist.
5. Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement mit seiner einen Oberfläche in der

. Mitte einer undurchbrochenen Membran befestigt ist, deren Umfang an der Innenfläche des Hohlzylinders befestigt ist.
6. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement in der halbierenden Querebene des Hohlzylinders befestigt ist.

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7. Mikrofon nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelernent mit seiner einen Oberfläche am Mittelteil einer schallempfindlichen Membran mittels eines Übertragungsglieds befestigt ist, deren Umfang an der Innenseite des Hohlzylinders befestigt ist.
8. Mikrofon nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement am Rand mit einer Gewichtsbelastung versehen ist.
9. Mikrofon nach Anspruch 7..oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schallempfindliche Membran in der mittleren Querebene des Hohlzylinders befestigt ist.
10. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Enden des Hohlzylinders mit Gaze bedeckt sind.
11. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement aus einer piezoelektrischen Scheibe mit je einer Elektrode auf jeder Hauptfläche besteht und daß eine zweite Scheibe gleicher akustischer Steifheit mit der piezoelektrischen Scheibe flächenhaft verbunden ist.
12. Mikrofon nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Scheibe aus einer flexiblen Metallscheibe besteht.
13. Mikrofon nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe aus Aluminium, Messing oder Nickel-Eisen besteht.

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14. Mikrofon nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Scheibe" aus einer piezoelektrischen Scheibe mit je einer Elektrode auf den beiden Hauptflächen besteht.
15. Mikrofon nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Scheiben in entgegengesetzter Richtung bezüglich ihrer Dicke polarisiert sind und daß zwei Zuleitungsdrähte mit jeder der äußeren Elektroden verbunden sind.
16. Mikrofon nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Scheiben bezüglich ihrer Dicke gleichsinnig polarisiert sind und daß eine gemeinsame Zuleitung an der mittleren Elektrode befestigt ist.
17. Mikrofon nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Scheiben aus piezoelektrischem Keramikmaterial bestehen.
18. Mikrofon nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial aus einer Mischung von Bleititanat und Zirkontitanat besteht.

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